[发明专利]一种基于机械臂负载质量和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法

说明书

本发明提供一种机械臂负载质量和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法，包括：S1：采用负载质心质量辨识模块获取机械臂末端的负载的质心和质量并进行辨识，得到负载的辨识质心和辨识质量；S2：采用传感器零漂辨识模块读取传感器的数值，并根据所述辨识质心和辨识质量计算得到传感器零漂；S3：采用重力补偿模块根据所述传感器零漂对传感器的数值进行重力补偿。该方法可解决由于重力影响机械臂末端负载对末端六维力传感器引入附加力和力矩作用，以及传感器零漂误差的存在将导致传感器数值不准确影响最终的力控制效果等问题，由于传感器零漂的不确定性，决定了其需要在线辨识的需求。

技术领域

本发明涉及机械臂应用技术领域，特别涉及一种机械臂负载质量和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机械臂在工业生产、空间应用等任务过程中发挥着越来越重要的作用。由机械臂动力学特性分析可知，在地面重力环境下重力相对于摩擦力、哥氏力、离心力对机器臂动态特性的影响较大，尤其是机械臂处于伸展状态时，各关节的重力影响尤其显著。为提高机械臂的动态和稳态性能，机械臂在操作前一般需要设置末端载荷的质量和质心参数，因此有必要对负载和质量特性进行辨识。

以UR、KUKA为典型代表的工业机械臂系统高度集成，机械臂运动以笛卡尔空间和关节空间的位置(角度)和速度(角速度)实施控制，大多数型号各关节并未设置力矩传感器，内部运行程序封装有重力场矢量测量和重力补偿模块。若采用该类机械臂在对外交互过程中，为获得机械臂末端与外界环境的相互接触碰撞力，在机械臂末端效应器与末端关节间安装六维力矩传感器以便进行有效的力控制，但传感器所检测的信号中组成成分较为复杂，主要包含有由于负载重力而产生的附加力和力矩(简称为重力项)和传感器的零漂误差。在实际应用中，如果不对重力项和零漂进行补偿，将很难实现机器臂的实时精确控制。传感器的零漂误差由于环境温度等因素，存在随机性，零漂为非常值，而重力项则随着机械臂的臂型(各关节角度)变化而变化，因此重力项与传感器零漂误差存在在线辨识的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种机械臂负载质量特性和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法，以针对上述重力项和零漂误差进行在线辨识，提高机械臂的力补偿和控制的精度，并解决在地面环境下，由于重力影响，机械臂末端负载对末端六维力传感器引进附加力和力矩作用；由于温度等原因，传感器每次开机的零漂误差具有不确定性，在一定时间段内为固定值，传感器零漂误差的存在将导致传感器数值不准确影响最终的力控制效果的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种机械臂负载质量和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法，包括以下步骤：

S1：采用负载质心质量辨识模块获取机械臂末端的负载的质心和质量并进行辨识，得到负载的辨识质心和辨识质量；

S2：采用传感器零漂辨识模块读取传感器的数值，并根据所述辨识质心和辨识质量计算得到传感器零漂；

S3：采用重力补偿模块根据所述传感器零漂对传感器的数值进行重力补偿。

较佳地，所述S1进一步包括：负载质心质量辨识模块通过调整所述机械臂的各关节角度，获取不同末端姿态的各关节的角度值，并采集不同末端姿态下的力矩传感器的数值；根据所采集的力矩传感器的数值，基于最小二乘法对负载的质心和质量的动力学参数进行识别，获取机械臂末端的负载的辨识质心和辨识质量。

较佳地，还包括：获取不同末端姿态的各关节的角度值后建立机械臂末端到基座的变化矩阵；建立传感器坐标系到惯性坐标系的变化矩阵；对力矩传感器的数值进行截断取平均值处理得到均值；依据牛顿第二定律建立随机误差的所述均值与负载的质量特性的关系；再利用最小二乘法基于所述关系对所述负载的质心和质量进行参数辨识得到辨识质心和辨识质量。

较佳地，将所述负载的质心和质量在重力场下的作用力折算到传感器坐标系上，并将所述数值进行截断取平均值处理得到的均值分别与折算到传感器坐标系上的质心和质量的差值作为传感器零漂。